臺灣化學教育

以108課綱架構比較八年級自然科學教科書跨科議題內容

鐘建坪

新北市立錦和高中國中部

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    12年國民教育已於108學年度正式實施。自然領綱搭配總綱的課程目標期待啟發學生科學探究的熱忱與潛能、建構科學素養、奠定持續學習科學與運用科技的基礎、培養社會關懷與守護自然之價值觀與行動力，以及為生涯發展做準備等項目（國家教育研究院，2018）。雖然國民中學七至九年級同屬於第四學習階段，生物、理化、地球科學可依照特定比例分配教學節數，不必限定在特定年級，然而因為學校排課、教師專長等因素，教科書的內容編排目前國一以生物為主，國二以理化為主，國三則為理化與地球科學搭配。

    自然領綱規定自然領域學習時數為每周3節，教科書須依照生物、理化與地球科學不同比例編制，且規定教科書每學期應至少包含1個跨科單元，用以實施跨科主題整合的探究與實作學習。實務上，教科書是許多教師教學參考的重要依據，因此教科書編撰的內容與呈現方式，影響各校教師的選納與採用。本文首先探討探究與實作的內涵，說明四階段13步驟的內容，接著說明自然領綱與美國下一代科學標準（Next Generation Science Standards, NGSS）提及的跨科概念（crosscutting concepts），最後分析最新（2020年9月）國二上學期的不同版本自然教科書跨科主題單元內容，作為教師教學參考與未來單元編修建議。

n   探究與實作

    自然領綱認為探究與實作的目的，在於培養學生針對物質與生命世界，發現待解決的問題，提出適切的問題解決策略，進而提出結論與精煉溝通表達的能力。關於探究與實作的實施，領綱在普通型高中增列跨科目之主題式探究與實作課程內容（國家教育研究院，2018），強化高中階段探究能力的培養。雖然其他學習階段未有相同明確的課程內容，然而領綱亦期待各個學習階段應重視並貫徹探究與實作的精神與方法，提供學生統整學習的經驗，強調跨科或跨領域間的整合。領綱同時揭示在國民中學教育階段，每學期應該包含至少一個跨科單元，藉以施行跨科主題的探究與實作學習（國家教育研究院，2018）。

    探究與實作區分出探究學習內容與實作學習內容兩部分，其中探究學習內容著重在發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享，而實作內容強調對應探究學習內容進行可操作的科學活動，例如：針對觀察所得，提出適合的探究問題（國家教育研究院，2018），摘要探究學習內容如表1。

表1：自然領綱探究學習內容（國家教育研究院，2018）

n   跨科概念

    跨科概念是指可以橫跨科學領域應用的概念，用以連結不同的科學領域（NGSS Lead States, 2013）。美國下一代科學標準（NGSS）認為跨科概念具有：模式（Pattern）、因果關係（Cause and Effect）、尺度、比例與數量（Scale, Proportion, and Quantity）、系統與系統模型（Systems and System Models）、能量與物質（Energy and Matter）、結構與功能（Structure and Function）、穩定與改變（Stability and Change）等。NGSS提供不同跨科概念在不同的學習階段須達成的學習內涵，以及跨科概念所含涉特定科目的核心概念。以系統和系統模型為例，NGSS認為6至8年級應該認識模型是作為系統與系統交互作用的表徵，系統可與其他系統產生交互作用，以及模型僅呈現有限度地呈現目前系統的樣態等。而9至12年級，則要求需要界定系統的範圍與邊界，不同的模型可用於模擬系統與其交互作用，以及模型可有限度的預測系統的行為等。

    自然領綱認為跨科概念具有物質與能量、構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用、科學與生活與資源與永續等。同時期待能夠藉由探究與實作精神與方法，透過議題或是主題方式進行跨領域或是跨科的統整，讓學生理解與運用相關的跨科概念（國家教育研究院，2018）。領綱提供3個跨科主題作為參考，包括：從原子至宇宙、能量與能源、全球氣候變遷與調適。以全球氣候變遷與調適為例，牽涉的次主題及涵蓋能量的形式與轉換，溫度與熱，生態系中能量的流動與轉換，生物與環境的交互作用，科學技術及社會的互動關係，環境汙染與防治，與氣候變遷之影響與調適（國家教育研究院，2018）。

n   不同版本跨科主題

    與先前課程綱要不同之處在於，自然領綱要求新編制的教科書，每學期至少包含1個跨科主題，透過跨科主題的探索，連結不同學科，打破學科知識之間的藩籬。由於今年（2020年）9月是新綱關於國二理化教科書跨科主題的首次呈現，因此本文嘗試分析市售包括：康軒、翰林與南一三個版本教科書的跨科主題（見表2）並進行比較，以下分別簡稱為K版、H版以及N版進行說明：

表2：不同版本跨科主題比較

註：市售三家版本分別以K、H、N代表康軒、翰林與南一。

    K版跨科主題為水與空氣的重要性。區分為兩個次主題，包括：水的淨化與再利用，及空氣的組成與空氣汙染（圖1），連結的學科包括化學與地球科學。首先，水的淨化再利用接續混合物分離的概念，於此規劃先讓學生動手自製1個簡易濾水器，蒐集資料了解作為過濾物質的棉花、活性碳、石英砂與麥飯石各有何功用。當學生已有製作經驗之後，再思考如何優化自製濾水器。課本提供假設、變因設定、設計濾水器與觀察紀錄結果的引導，讓學生完成之後，再與班上同學交流分享，並嘗試統合全班實驗結果，重新設計過濾效果最佳的濾水器。藉由提問自製濾水器可否處理家庭廢水，引導出家庭汙水的處理方式，並思索水資源的再利用與珍惜水資源。

    第二個內容次主題為空氣的組成與空氣汙染。在此先介紹空氣中主要氣體的成分與性質，再進行氧氣的製備與性質探討的實驗。氧氣的製備實驗是藉由雙氧水與二氧化錳反應，以排水集氣法收集，再用點燃的線香分別置入氧氣瓶與空氣瓶，比較燃燒情況，並說明二氧化碳的製備與性質。接著，說明空氣汙染與空氣品質指標，最後探索活動了解口罩與生命吸管的構造，用以理解過濾原理的應用。

圖1：K版跨科議題概要架構

    H版跨科主題為太陽—地球的生命之光，區分為六的次主題，分別是生命的原動力、地球的能源、太陽的畫布、紅外線的發現、光的直進性與日地月相對運動、光傳播速率的測量（圖2），連結的學科包括地球科學與物理。首先，以實作活動模擬靠近太陽與遠離太陽接收到的輻射量，再說明地球位於太陽的適居區。其次，以圖文整合方式呈現太陽與常見的能源的關係，並說明常見的能源名稱。接著，利用實作活動模擬白天與傍晚天空的顏色，並說明天空不同顏色變化的原因。緊接著，透過閱讀方式學習紅外線的發現，以及地表吸收能量與紅外線輻射對於地表氣候的影響。再來是使用竹筷、黏土與手電筒模擬地球與月球相對運動，探討月相的變化。最後次主題是藉由閱讀理解光傳播速率測量的科學史，說明笛卡爾（Rene Descartes）、伽利略（Galileo Galilei）與羅莫（Ole Romer）等人是如何測量光速。除了能源型態之外，每一個次主題都會提供相關的問題，讓同學思考該次主題介紹的內容。

圖2：H版跨科議題概要架構

    N版跨科主題為波動與地震，包括3個次主題，依序為認識地震、地震的預警與因應與紀錄地震波（圖3），連結的學科包括物理與地球科學。首先，認識地震單元介紹地震的成因並認識地震測報中心網站。藉由查詢網站資料理解不同項目資料的意義，並由提問的方式讓學生確認網站資料與查詢相關偵測地震科技。接著說明地震產生的S波、P波與地震預警系統，並以遊戲式的探索活動讓學生思索震央如何定位，再說明防震措施，並計算P波與S波時間差，讓學生體會當地震發生時，有多少時間可以因應。最後製作地震儀促進學生對地震儀如何記錄地震資訊的理解，並在完成作品之後思索改進與優化作品，並能和同儕分享學習成果。

圖3：N版跨科議題概要架構

n   不同版本主題差異

    本文分析目前三家出版的自然教科書跨科主題內容，差異說明如下：

一、跨科含涉學習內容不同，三家版本跨科主題設置位置不同

    K版跨科主題著重在過濾與空氣組成等概念，因此跨科主題設置在第二章之後。N版跨科主題著重在波動、板塊與地震的關係，與第三章介紹波的概念相關，因此跨科主題設置在第三章之後。而H版跨科主題是孕育生命的太陽，與第四章的概念最為接近，H版未將其至於第四章光、影像與顏色之末，而是將跨科議題設置在課本最末。

二、空氣組成的學習內容，H與N版是編排在一般章節內

自然領綱將大氣的組成氣體，包括氮、氧、水氣、二氧化碳等氣體設置在地球科學，因此K版將屬於化學學習重點的混合物分離、家庭廢水、空氣品質與空氣汙染學習內容，結合空氣的組成形成跨科主題。但其他2個版本仍將空氣的組成安排在第二章物質世界中介紹。

三、跨科主題有以輻射發散、有以雙主題連結、有以單一主題連貫呈現

三家版本跨科主題的設計呈現不同方式。H版以太陽為主題輻射出6個次活動，6個次主題內容環繞太陽，但是次主題之間的關聯性較為薄弱，其優點是每個次主題可單獨授課，然而缺點是對於次主題的探索不易深入（見圖2）。K版以水與空氣的重要性為跨科主題，一開始以探究活動設計水質過濾器，認識與珍惜水資源之後說明空氣的組成、空氣品質與空氣汙染，最後再以探索活動連結過濾原理在口罩與生命吸管的應用。K版以雙次主題模式，文末再以過濾原理連結2個次主題（見圖1）。N版的波動與地震主題，則以認識地震為出發點，接著了解地震的預警與因應，再藉由實作活動理解地震儀如何紀錄地震波，屬於以單一主題，次主題連貫呈現（見圖3）。

四、多著重學習重點與實作，較少強調探究歷程

    3個版本皆有提供探索活動。H板實作活動偏向食譜式實驗、簡單觀察或是推論，再以想一想問題，提供學生相關的思索。N版實作活動嘗試藉由網站尋找資料、分析資料的內容，計算P波與S波時間差，並嘗試製作、優化與創新簡單的模擬地震儀。眾多的實作活動中，只有K版在自製濾水器中完整呈現探究歷程，強調假設的填寫、變因的設定、依據變因設計實驗、觀察並紀律結果，並與同儕進行討論與發表。

n   結語與建議

    自然科學與科技發展迅速，學生無法記憶所有事實性的知識內容。藉由核心概念（discipline core ideas）、跨科概念與跨科主題的學習，可讓學生得知學科的核心知識，學習不同領域間共通的概念，進行跨領域的整合。教科書設計的跨科主題能夠牽涉多種不同的跨科概念，並得以納入多種不同學科的核心概念。因此，跨科主題的學習可以提供機會協助學生整合相關的學科與領域知識。最後，依據領綱跨科議題需要符合探究與實作的精神與方法，提供建議如下：

一、同一跨科主題，可藉由次主題的前後關聯不斷深入

    為求主題的深入探討，跨科主題的呈現，可藉由次主題前後脈絡相連。讓前一個次主題的結果形成下一個次主題的因，自然而然形成一個主題探索的發現歷程。

二、同一跨科主題，可藉由探索活動，提供完整探究歷程

    雖然期待教科書的正規實驗可以擺脫食譜式實驗，但是因為學生往往第一次接觸特定實驗，且概念較深，使得正規實驗在探究面向的開放性較低。因此，跨科主題即可以一個探索活動，設計完整的探究歷程，讓學生能夠界定問題，設計簡易實驗，進行數據的收集與資料的分析，確定結果並進行分享與發表。

n   參考文獻

南一書局（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。臺南市：南一書局企業股份有限公司。

國家教育研究院（2018）。十二年國民基本教育自然科學領域課綱。新北市：國家教育研究院。檢索自網站：https://www.naer.edu.tw/files/16-1000-15486.php?Lang=zh-tw

康軒文教（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。新北市：康軒文教事業股份有限公司。

翰林出版（主編）（2020）。國民中學自然科學課本（初版，第三冊）。臺南市：翰林出版事業股份有限公司。

NGSS Lead States (2013). Next generation science standards for states, by states. Washington DC: The National Academies Press.